氣囊罐定壓脫氣機組在供熱系統中的應用

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

發電廠集中供熱系統通常采用高位膨脹水箱、氣壓罐定壓(不吸納膨脹水)機組、氣囊罐(吸納膨脹水)定壓機組三種定壓方式。西北電力設計院樊守峰分析了熱網補水系統及定壓系統合并的可行性，提出了熱電廠供熱循環水管網補水系統和定壓系統合并為一個系統的方法。北京市建筑設計研究院有限公司房華榮針對膨脹水箱和膨脹罐二者定壓補水方式進行對比。膨脹水箱方式系統具有簡單、壓力穩定、造價較低等優點，但存在布置位置的局限性，初期運行時排氣及充水時間長的問題。氣壓罐(不吸納膨脹水)及氣囊罐(吸納膨脹水)定壓安裝位置靈活，充水時間較短，但系統復雜，占地大，造價高。

水系統中的空氣主要來源于開式水箱的氣液交界處和供水中所溶解的空氣。在一定的溫度、壓力下溶解于水中的空氣會達到飽和狀態，多余的空氣以氣泡形式存在，若不及時排除空氣，會出現降低熱交換器的換熱效果，管道腐蝕壽命變短，系統壓力及水泵工作不穩定、產生噪聲等不利后果。

本文將對氣囊罐定壓脫氣機組在電廠供熱系統應用中設計要點進行分析。

1 基本原理及機組集成意義

1.1 定壓補水與脫氣基本原理

氣囊罐是由鋼制外殼，內置耐熱橡膠(三元乙丙橡膠)囊袋制成，囊袋上、下兩端與罐體法蘭固定，下部接口進水，上部可排氣。囊袋與罐體之間充有一定壓力的氮氣。初運行時，水溫逐漸升高，熱膨脹水量進入囊袋內，囊袋體積逐漸增大，囊袋外氮氣壓力也從初始壓力升高，直至升到設計供水溫度，此時囊袋體積和氮氣壓力均達到最大值。系統正常運行時，因熱水設定的供回水溫差會在膨脹罐內產生水量的脹縮，引起一定的壓差。補水泵的啟停壓力可根據該壓差的低限值與高限值來設定。

由于氣囊罐具有納水穩壓作用，在停電或停泵時，可吸收因循環水泵停運而使回水管突然升高壓力，防止水擊現象發生。

水系統中的空氣主要以溶解在水中的方式及游離于水中的氣泡的方式存在。

排除的水中的空氣可遵循亨利定律和擴容排氣原理。

亨利定律見式(1)：

式中：x為氣體在液體中摩爾分數的溶解度；

p為液體表面氣體的絕對分壓力(kN/m2)；

H為亨利常數，與溫度成正比(kN/m)；

從亨利定律我們可知：空氣在水中的溶解度與水表面空氣的分壓力成正比，與溫度成反比。

擴容排氣的工作原理：在機械循環系統中，管內水流速大于氣泡浮升速度，氣泡隨水流動。當經過直徑較大的罐體時，水流速減慢，氣泡浮升速度大于水流速，氣泡會從水中分離并聚集在罐體的上部。

機組脫氣過程如下：打開進水電磁閥從系統回水母管上游取水至真空罐，擴容作用使水中氣泡浮出水面；關閉進水電磁閥，啟動多級水泵使罐內保持負壓，溶解于水中的空氣析出。脫氣后的水被壓入回水母管下游距離吸水點不小于500mm的位置。浮出水面的氣泡與從水中析出的空氣上升到真空罐頂部并通過自動排氣閥排除。

1.2 機組集成的必要性和可行性

現代化發電廠建設規模正朝著大容量、高參數方向發展，在確保安全運行的條件下對系統設備模塊化、集成化、智能化要求，以及對節省用地和建筑面積、優化運行管理、節能節水、環境美化等方面提都出了更高要求。

大型發電廠集中供暖系統具有以下特點：

(1)廠區集中供暖負荷大。供暖熱源為經減溫減壓的高溫高壓蒸汽，熱媒主要為熱水，部分寒冷地區或嚴寒采用110℃/70℃高溫水；

(2)集中供暖系統采用定流量質調節方式運行；

(3)室外管網較長，管網內水容量較大；且部分管段直埋敷設，對防腐蝕要求較高；

(4)廠區加熱站通常與制冷站合并布置，集中制冷加熱站面積要求較大，難于在緊湊型主廠房內設置；

(5)水系統高點在主廠房，膨脹水箱的位置離獨立的廠區集中加熱站較遠，運行不安全。

鑒于上述發電廠集中供暖系統的特點，以及有效排除空氣對水系統安全運行的重要性，氣囊罐定壓方式與真空脫氣方式的使用在發電廠越來越受到重視。

氣囊罐定壓與真空脫氣功能集成為一個整體機組具有以下優點：

(1)定壓點與脫氣管同在循環水泵入口附近，管道接口方便；

(2)節省布置空間；

(3)共用一套PLC監控系統，安全、經濟。

2 氣囊罐定壓脫氣機組設計要點

2.1 補水泵

《發電廠供暖通風與空氣調節設計規范》DL/T 5035－2016規定：補水泵應設2×100%配置，1臺水泵的流量應滿足系統循環流量的2%的正常補水量；定壓點壓力為直接連接用戶最高充水高度與供水溫度相應汽化壓力之和并應有0.03～0.05 MPa的富裕壓力。

補水泵的揚程不但與補水泵啟動壓力、停止壓力有關，而且與水系統承壓值、系統膨脹量、系統初運行及正常運行工況等因素有關。

補水泵是維持定壓點壓力的基本保證，如果事故突然停電，不但系統壓力的不穩定，而且會形成 “水擊”現象，因此補水泵宜采用雙電源供電方式，事故時備用電源自動供電。

2.2 水系統膨脹量

水系統膨脹量Vp(m3)與系統水容量Vc、供回水溫度有關。當供回水溫度為110℃/70℃時，水系統膨脹量可按式(2)簡化計算：

式中：α為水體積膨脹系數，簡化為線性相關，其值取α＝0.0006 m3/(m3·℃)；Δt為系統內水溫的最大變動值(℃)；Vc為系統水容量(m3)。

由于采用恒定回水溫度的定流量質調節方式，且在供暖季連續運行，對于110℃/70℃供暖系統，在保證70℃回水溫度的條件下供水溫度根據室外溫度自動控制。供暖初期供水溫度較低(85℃左右)，隨著氣溫的下降供水溫度升高，最冷月時水溫達到設計最高值。因此，系統內水溫的最大變動值出現在從初水溫(取5℃,采暖季開始時室外溫度較高，采用值班溫度保證系統內水溫變動值最大)加熱到85℃的初運行過程，此時加熱溫差為80℃。正常運行階段供回水溫差為40℃。從式(2)可得：80℃溫差時Vp/Vc值是40℃溫差的2倍。

系統水容量Vc應為換熱設備、各類末端散熱設備、室內管道與室外管網水容量之和。換熱設備水容量可由設備制造商提供，各類末端散熱設備、室內管道的水容量可從參考文獻[3]中表11－59查取。室外管網宜按實際管網水容量計算。

需要指出的是末端散熱設備，包括各類散熱器、暖風機、熱風幕、空氣加熱器的水容量應根據各自承擔的熱負荷計算。

表1為系統循環水量為122 m3/h，水容量約120 m3時，供暖初期與正常供暖期系統膨脹量及系統調節容量的計算值。

表1 供暖初期和正常運行時系統調節容積、膨脹量比較

2.3 氣囊罐容積與壓力

在完成設備、管網系統初調試完成后，此時氣囊內壓力處于低水位，氣側壓力P1等于系統定壓點壓力，慢慢升高水溫，氣囊內逐步吸收膨脹量Vp，氣囊體積變大，囊外氣體壓力升高到P2。當吸納最大膨脹量時，P2最高。當系統水溫下降或漏水時，壓力減小，氣囊內水位在接近低水位時補水泵自動啟動補水，補水量為調節容積Vt。因此氣囊體積應等于Vp＋Vt。

氣罐內氣體壓縮過程緩慢，可按等溫壓縮過程計算。

式中：P1為低水位時初壓力，絕對壓力(MPa)；P2為終壓力，絕對壓力(MPa)；V1為氣壓罐氣側的有效體積(m3)；Vt為氣囊的調節容積，不小于3 min平時運行的補水泵流量，變頻泵可按額定轉速時補水泵的1/4～1/3確定(m3)；Vp為系統膨脹水量(m3)。

從式(3)可知，在確定的供暖系統中，P2是定壓點處系統可接受的壓力，且應滿足管系中最高壓力點的壓力小于系統承壓值。若P2取大值，V1就小，氣囊罐設備體積小，但管網系統在較高的壓力下運行容易滲漏水。當P2取略高于工作壓力時，由于Vt為定值，V1主要取決于系統膨脹量Vp。

氣囊罐容積可按式(4)計算：

式中：VZ為氣囊罐實際總容積(L)；VZmin為氣囊罐最小總容積(L)；Vxmin為氣囊罐應吸納的最小水容量，Vxmin=Vt+Vp(L)；P0為低水位時氣囊充氣的絕對壓力，定壓點壓力(kPa)；P2max為氣囊罐正常運行的最高絕對壓力，即最高水溫時的停泵壓力(kPa)。

式(4)變形后可得：

其中Vxmin/Vzmin比值為設備設計定值，一般取0.3～0.4，故氣壓罐充氣壓力P0：

無論在靜態還是在動態工況下，水系統內任一點的壓力必須小于系統最高耐壓能力，為保證系統安全，氣囊罐定壓系統中設置壓力式電磁泄水閥與安全閥雙重泄壓保護措施。

安全閥開啟壓力P4、電磁泄水閥開啟壓力P3、補水泵停止壓力P2、補水泵啟動壓力P1、補水泵揚程Pb可分別按以下要求設定：

安全閥開啟壓力P4是限制系統內的承壓值，略高于系統工作壓力。

但是在系統初運行階段，由于管系內空氣來不及排除引起氣塞現象，導致水系統壓力增高，會造成系統充水時間長，甚至不能補水。實際工程中，補水泵采用多級離心泵，且補水泵揚程Pb宜在定壓點P0的基礎上加0.1 ～ 0.15 MPa。

需要注意的是：應復核P4的值是否滿足系統最大壓力點的壓力小于水系統承壓值的要求。

對調質運行的水系統而言，膨脹量Vp與水溫差變化有關，且Vp變化P2也隨之變化，補水泵停泵壓力需要根據水溫的設定來調整。調整方法可參見參考文獻[4]中附錄C.2.5節計算，這里不再贅述。

2.4 氣囊罐容積優選措施

從表1可知，系統膨脹量遠遠大于調節容積，加上氣罐容積與氣囊容積之比為定值的設備特性，因此氣罐容積主要取決于系統膨脹量。

查相關廠商的產品樣本，對應5.76 m3的膨脹量，氣囊罐需要選雙罐體，單罐Φ2000mm，高約3600mm的罐體，氣囊罐占用空間很大，設備成本也較高。

為減小氣囊罐容積，我們可以通過下述方法合理解決，以達到降低設備成本、減小設備占地空間，使系統安全、節水節能運行的目的，氣囊罐定壓脫氣機組示意圖系統詳見圖1。

(1)系統從水溫5℃～85℃升溫過程中的膨脹量(水質合格)通過開啟的手動閥1(手動閥2關)、壓力式電磁泄水閥排入閉式蒸汽凝結水箱(內壓小于泄水壓力)，電磁閥開啟時聯動凝結水泵(1用1備配置)運行，將膨脹水量回收到工藝系統內。

(2)補水箱上部留有膨脹空間，在正常運行工況時通過開啟的手動閥2(手動閥1關)、壓力式電磁泄水閥將部分膨脹水量泄水至補水箱水池內，這樣既可減少補水量又可減少補水中溶解的空氣進入系統。

(3)安全閥泄水至補水箱水池內回收。

(4)補水箱貯水容積可按1臺補水泵30～60 min的流量計算，上部的膨脹容積可根據加熱站機房空間的實際情況，按正常運行時膨脹量的1/3～1/2計算。

(5)補水箱水源應采用工藝軟化水或除鹽水，并設浮球閥及電磁式快速補水閥。

2.5 真空脫氣設備

真空脫氣設備主要按系統的最高工作壓力及溫度、安裝點的工作壓力、系統水容量等參數查設備技術資料來確定。較大供熱系統真空脫氣設備可二臺并聯使用。

水系統初運行時，真空脫氣系統手動控制運行時間，以快速排出水中的空氣，縮短系統穩定時間；正常工況時，重復脫氣過程的時間間隔可視供熱系統水容量的大小、真空罐容積大小、補水中空氣的含量而設定，真空脫氣系統自動運行。

2.6 優化后的氣囊罐定壓脫氣機組

大中型火力發電廠集中加熱站優化后的氣囊罐定壓及脫氣系統，見圖1。

氣囊罐定壓補水脫氣機組是集定壓、膨脹、補水及脫氣功能的機電一體化設備，主要部件包括：氣囊膨脹罐，2臺補水泵(一用一備)，補水箱與液位儀、浮球閥與快速補水電磁閥，真空罐、脫氣水泵、脫氣電磁閥與自動排氣閥，壓力泄水電磁閥與安全閥，凝結水箱，2臺凝結水泵(一用一備)，管路系統及PLC控制系統。

圖1 氣囊罐定壓脫氣機組示意圖

3 案例分析

3.1 工程背景

某座位于寒冷地區的2×660 MW機組新建燃煤電廠，全廠采用供回水溫度為110℃/70℃的高溫熱水供暖系統，熱水循環流量L=122 m3/h，循環水泵揚程H=300 kPa，熱網系統水容量約Vc=120 m3，采用氣囊罐定壓補水脫氣機組，定壓設備布置在底層，補水箱與系統最高點高差h=30 m，定壓點位置在循環水泵入口側附近，設備及管網承壓為PN=1.0 MPa，閉式凝結水罐最高內壓0.3 MPa。

下面就全部吸納膨脹水(方案一)及部分吸納膨脹水量(方案二)的條件，對氣囊罐式定壓脫氣機組進行設備選型計算。

3.2 計算過程及結果

方案一、方案二計算過程及計算結果詳見表2。

表2 方案一、方案二氣囊罐式定壓脫氣機組設備選型比較

4 結論

結合發電廠集中熱水供熱系統特點，分析了定壓設備與脫氣設備集成為機電一體化設備的必要性與可行性；

通過對氣囊罐內氣體壓縮過程的理論計算，結合工程實際情況，對氣囊罐定壓系統中氣囊充氣壓力、補水泵啟/停壓力、電磁泄水閥及安全閥的泄水壓力、補水泵揚程的計算提出了建設性的意見；

減小氣囊罐的體積可采用下列措施：

(1)系統膨脹量按正常運行時計算。

(2)供暖初期系統膨脹量排入凝結水回收罐。

(3)供暖正常運行階段，氣囊罐僅吸收部分膨脹水量，另一部分被補水箱吸收。

根據案例分析表2可知，采用減小氣囊罐的體積措施后，設備的占地面積減少近50%，設備投資減少近30%。優化后的氣囊罐定壓脫氣機組具有明顯的經濟效益。